增强型地热系统水力压裂与声发射监测室内实验研究*

李庭樑，曹文炅，王亦伟，郭 剑，蒋方明†

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院大学，北京 100049）

0 前 言

随着全球范围内的气候变暖、环境污染等一系列社会问题的加剧，开发利用可再生清洁能源已成为社会发展的必然趋势。地热能资源储量丰富，在众多可再生能源（例如水能、太阳能、海洋能等）中具有很强的竞争力，具有显著的优势。开发利用地热能对改善目前的一系列环境问题具有重要意义，资源储量也决定了其在未来能源利用中的地位[1-2]。在地球深层的致密岩石具有较高的温度，贮存有丰富的热能[3-4]。1970年，美国的拉斯阿莫斯国家实验室为了提取和利用干热岩所蕴藏的热能，提出了增强型地热系统（enhanced geothermal system,EGS）概念，利用高压水的压力和化学试剂的腐蚀性将地下致密的岩石刺激成渗透性较高且相互连通的人工热储，随后将低温的流体工质（水或二氧化碳等）注入到人工热储，利用低温工质与高温岩石之间的直接接触，提取岩石中的能量，最后将地下的热流体抽至地面，可用于工业发电和居民供暖[1]。

世界各国在探究干热岩热能利用技术的同时，先后建立了EGS野外试验场和相应的示范电站，比如法国的Soultz EGS、澳大利亚的Habanero EGS、美国的Fenton EGS、日本的Hijiori EGS和英国的Rosemanowes EGS等[5]。通过对野外试验场多年的探索和研究，已经在选择靶区、钻井技术、水力压裂、监测技术和地面利用等方面取得很大的突破，但是部分技术难题阻碍了 EGS的进一步推广和应用。比如，哪些因素会影响水力压裂的走向以及如何形成连通性能良好的EGS热储层，这些技术问题的解决需要开展与之相关的实验和数值模拟研究。

通过建立野外试验场对EGS进行研究，最具有代表性的是法国的 Soultz EGS。从 1992年至今，Soultz EGS共钻有4口地热井（GPK1、GPK2、GPK3和GPK4）[6]；通过对井探数据的研究表明[7-9]，Soultz EGS利用水力压裂的方式形成了多个裂隙区域，根据其渗流能力的不同，主要分为渗透能力较强的一级（level Ι）裂隙区域、渗透能力较弱的二级（level ΙΙ）和三级（level ΙΙΙ）裂隙区域。1997 年进行的水力循环实验表明，GPK1井与 GPK2井之间有着良好的水力连通[10]；但GPK4井在完成水力压裂后，GPK2井与 GPK3井之间并未形成良好的水力连通，经过两次的水力压裂，连通情况并未得到相应的改善，这可能是未知断裂阻碍区域之间的连通导致[6]。EGS实际试验中存在较大的不确定性，风险较高，有必要在试验前探究地下的地质情况及其对水力压裂的影响。

数值模拟因成本低廉、适用范围广和功能强大等优点成为研究EGS的一种重要方式。由Soultz EGS等野外试验场的研究结果可知，众多相互连通的裂隙带是构成一个有效热储层的必要条件，并且采热过程的机理比较复杂，包括热量传递（thermal-T）、工质流动（hydraulic-H）、岩石化学反应（chemical-C）以及岩石力学（mechanical-M）等过程的综合作用结果。因此，如何构建热储层的数值模型并进行THMC耦合计算是EGS数值模拟研究的重点[11]。目前，一些学者对各个过程的耦合问题进行了研究，并取得了相应的进展[12-14]。规则裂隙模型[15]、随机裂隙模型[16]和多孔介质模型是热储模型建立的主要来源。其中，多孔介质模型由于计算效率高等优点被广泛应用于热储模型。但均匀介质模型用于模拟岩石与流体换热时，由于其假设建立在局部热平衡基础之上往往会导致计算结果偏高。有学者提出了利用双孔隙及多孔隙模型[17-18]、非热平衡模型[19]、双能量方程模型[20-21]等可以更好地再现岩石与流体间的局部换热，此外，亦有学者对实际试验场地的EGS进行了数值模拟研究[22-24]，以期更加真实地揭示热储层的结构特征。数值模拟需要物理实验提供基础数据的支撑，而且数值模型需要进行实验验证。

由Soultz EGS的实际工程和最近兴起的EGS数值模拟可知，野外试验场的建设虽然可以积累大量的工程经验和推动EGS工程的商业化应用，但是需要投入大量的人力、物力、时间成本，而且风险较大，研究结果的普适性并不高。干热岩水力压裂与声发射监测实验室研究可以为实际工程提供技术支持和方案优化，同时也能辅助数值模型开发，提高数值模型的准确度。

国内外学者在水力压裂室内实验研究方面做了较多工作。1997年，日本山口大学搭建了水力压裂和声发射装置对200 m × 200 m × 200 m的立方岩石进行水力压裂实验，主要用于采矿、油藏刺激等方面的研究[25]。2000年，中国石油大学利用大尺寸真三轴模拟实验系统在实验室内进行了水力压裂实验，主要用于石油开采等方面的实验研究[26]。2010年，德国学者对混凝土试样以及岩石试样进行了水力压裂实验研究，并对产生的裂纹进行模拟分析，主要用于探究岩石-支撑剂系统中复杂的机械-水力耦合效应[27]。2015年，重庆大学利用多功能真三轴流固耦合试验系统模拟了煤岩体在三向不等主应力下流体的渗流规律，主要用于煤炭开采方面的研究[28]。2016年，重庆大学等以天然露头为试样，开展了水平井水力压裂实验，分析了裂缝形态和延伸规律，主要用于页岩气藏等方面的研究[29]。近年来，吉林大学对Φ50 mm × 100 mm的花岗岩试样进行了三轴压缩实验，并获得了初步的实验结果[30]。综上，国内外学者们对水力压裂的研究主要集中在采矿、石油、页岩气等方面，对干热岩的水力压裂室内实验研究并不多见。随着EGS工程的兴起，有必要开展干热岩水力压裂等方面的研究工作。本文主要介绍了实验室自主研发的实验平台，并进行了水力压裂、声发射监测、储层连通等实验。通过监测到的声发射数据随时间的演变过程，揭示裂缝的扩展规律以及影响裂缝扩展的主要因素；通过水力连通实验，探讨了各个采出井的流量分配，成功地实现了从注入井到生产井的水力连通。通过本次实验的研究结果，一方面可推动干热岩水力压裂、声发射监测等室内实验的深入研究，为相应的数值模拟提供参数。另一方面，可为野外试验场地的水力压裂工艺、储层改造等提供基础参数和技术支持[31-32]。

1 实验系统及实验过程

实验系统如图1所示，实验系统主要由EGS地下环境模拟器、高压柱塞泵系统和声发射监测系统等组成。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic of the experimental system

1.1 EGS地下环境模拟器

如图2所示，地下环境模拟器由控制系统、岩石输运系统、真三轴加压系统、加热系统、温度压力采集系统和工质循环系统等部分组成。利用真三轴加压系统与加热系统实现对岩石的加压和加热，可以更真实地模拟深层地下岩石所处的实际环境。加压装置由三组外部液压油缸组成，相互独立，可以在X（左右）、Y（前后）、Z（垂直）三个方向独立加压；加热系统通过在垫块内装配加热棒等装置，可以实现各个面独立加热，加热最高温度可达250℃，并且在岩石表面包裹有绝热性能良好的绝热板，保证其试样处于设定的温度。通过温度和压力采集系统可以对注入口和采出口工质的温度和压差监测、岩石温度以及三轴压力监测；工质循环部分可以对循环流体进行储存和收集；实验可加载的试样尺寸最大可达400 mm × 400 mm × 400 mm；试样的6个表面由高强度的垫块包裹，可将轴向力均匀传递到试样，3个方向最大载荷分别可达2 500 kN；通过改变试样的尺寸或者改变加载的载荷，可以模拟不同压力条件下地下深层岩石的真实情况。

图2 EGS地下环境模拟器及热力过程综合实验装置Fig.2 EGS underground environment simulator and thermalhydraulic comprehensive experimental set-up

1.2 高压柱塞泵系统

如图3所示，高压柱塞泵系统采用 Teledyne ISCO公司的 S65DM 系列双泵系统，可以实现0.000 01～25 mL/min的连续流量注入，最大可提供10 000 psi（约69 MPa）的流体压力，流量和压力的调节精度分别为0.3%和0.5%。

图3 Teledyne S65DM双泵系统Fig.3 Teledyne S65DM dual pump system

1.3 声发射监测系统

如图4所示，声发射检测系统是由声发射监测分析系统、声发射探头和前置放大器等部分组成，本实验中的声发射监测分析系统采用多通道声发射监测仪，在试样的三个端面共安装8个声发射探头及对应的前置放大器，试样与探头采用耦合剂粘结，有效地监测岩石内部的裂缝扩展情况。

图4 多通道声发射监测系统Fig.4 Multi-channel acoustic emission monitoring system

1.4 实验方法及过程

将试样放置在EGS地下环境模拟器中，通过真三轴加压系统在X、Y、Z三个方向加载一定的压力，利用高压柱塞泵系统精确地控制水力注射量，并采用声发射监测系统等多种方式，探究地下真实环境中岩石内部裂缝扩展规律以及储层的水力连通。实验过程如下：

①由野外试验场的井探数据得知，大多数场地的干热岩成分以花岗岩为主。因此，本实验中采用400 mm × 400 mm × 400 mm的花岗岩块来模拟地下真实干热岩地热资源。

②在花岗岩上提前布置相应的进口井与出口井。本实验采用一注四采的布井方式，注入井与采出井的深度均为200 mm，其中注入井的结构为阶梯状，见图5；四个出口井分别距相邻边100 mm。

③利用岩石输运系统将花岗岩放置在EGS地下环境模拟器中，并在花岗岩的4个表面共安装8个声发射探头，可以有效地监测花岗岩内部裂缝的扩展情况。声发射探头与井的位置分布见图5。

④开启真三轴加压系统，在X方向（左右）加载800 kN的载荷，Y（前后）、Z（垂直）方向分别加载500 kN的载荷。

⑤开启高压柱塞泵系统与声发射监测系统，利用计算机实时同步监测采集数据。

⑥压裂实验结束后，关闭高压柱塞泵系统与声发射监测系统，并将高压柱塞泵系统卸载为0。

⑦在四个出口井安装透明玻璃软管，进行水力连通实验。

⑧开启高压柱塞泵系统，在入口井以30 mL/min定流量注入，观测四个出口井液位的情况。

⑨可视化水力连通实验结束，关闭高压柱塞泵系统，并将高压柱塞泵系统卸载为 0，随后将真三轴加压系统的压力卸载为0。

⑩分析泵压曲线、声发射数据以及出口井液位变化情况，完成岩石水力压裂及连通性的综合分析。

图5 试样结构、声发射探头与钻井位置分布图Fig.5 Illustration of rock sample structure,acoustic emission probe and drilling position distribution

2 实验结果与分析

通过对岩样的水力压裂实验，利用监测到的声发射事件数据分析了裂隙扩展规律，同时探讨了影响裂隙走向的因素；通过进行相应的水力连通实验，探究了流体的泄漏情况以及相应的回收率。

2.1 水力压裂

通过在XYZ三个方向加载不同的载荷，模拟深层地下的应力环境，从而探究地下主应力对构建EGS热储层的影响。通过高压柱塞泵系统对岩石进行水力压裂，利用声发射监测系统对水力压裂过程中裂隙的生成与发展进行检测。试样的起裂压力大约为20 MPa，该压力保持一段时间，随后压力骤减，与此同时声发射监测系统监测到裂隙的声波信号，表明岩石内部已经有裂隙生成，声发射事件随时间的扩展见图 6。如图 6a，将产生的声发射事件随时间进行累积，并根据声发射事件的变化趋势将其划分为三个时间段（第一时段、第二时段、第三时段），如图6b～图6d为俯视图，其中a、b、c、d、e分别代表注入井与采出井，椭圆圈L1、L2、L3、L4分别表示声发射事件的边界。第一个时间段内生成的声发射事件数据用红色圆球表示，第二个时间段内生成的声发射事件数据用绿色圆球表示，第三个时间段内生成的声发射事件数据用蓝色圆球表示。在水力压裂实验的第208 s出现第一个声发射事件，在第一个时间段内（208～220 s），声发射事件迅速增多且主要集中在注入井底附近，如图6b；在第二个时间段内（220～240 s）声发射事件随时间缓慢增加，逐渐向周围扩展，主要朝最大主应力方向扩展，如图6c；在第三个时间段内（240～268 s），声发射事件先增多后平稳再迅速增多，最后趋于平稳；最终得到的声发射事件主要向三个方向扩展，如图6d所示。

图6 水力压裂实验监测到声发射事件数据随时间的扩展Fig.6 Hydraulic fracturing experiment monitoring the dynamic expansion of microseismic data

图7显示了水力压裂后产生的声发射事件分布情况，图7a为声发射事件在XY面上的投影图，从中可以清楚地看到微震数据随着压裂的进行主要朝着三个方向扩展：沿井a和井b连线方向扩展、沿最大主应力X方向和沿井a和井c连线方向扩展；同时，在图7b和图7c中示出了声发射事件在XZ和YZ面上的投影图，根据声发射事件的最终分布以及声发射事件随时间的扩展趋势，由图7b可以明显地看出沿最大主应力X方向扩展的声发射事件大部分都处在一个与XZ平面近似平行的平面上，为了更清楚的展示这个平面，用 F2来表示。由图7c可以明显地看出沿井a和井b连线方向和沿井a和井c连线方向的声发射事件大部分都处于近似水平面上，其中沿井a和井b连线方向扩展的声发射事件大都处于平面F1上，且声发射事件发生的位置较深；沿井a和井c连线方向扩展的声发射事件大都处于平面F2上，且声发射事件发生的位置较浅。

由图6和图7可知，在高压的水力压力作用下，裂隙的生成具有一定的时间属性：裂隙最开始在注入井a的底部生成并向深度方向扩展，随着水力压裂的进行，裂隙主要沿着最大主应力的方向（X负方向）扩展，最终的声发射事件数据主要集中在三个椭圆方向 L2、L3、L4，向着采出井 b、岩石左侧和采出井c方向扩展。同时，观察到在椭圆区域L1内有三个时间段产生的声发射事件数据，表明在注入井的附近进行了相对充分的压裂；声发射事件数据的密集度在一定程度上反映了该区域的渗透率与孔隙率大小，一般情况下声发射事件点密集的地方渗透率高于声发射事件点稀疏的地方[33-35]，表明在近井区域热储层的渗透率高于远井区域的渗透率。

图7d为最终得到的声发射事件数据三维图。可以观察到向三个方向扩展的声发射事件数据主要集中在三个平面内：椭圆区域L2中的声发射事件数据主要集中在平面F1内；椭圆区域L3中的声发射事件数据主要集中在平面F2内，平面F2近似平行于XZ平面；椭圆区域L4中的声发射事件数据主要集中在平面F3内。此外，裂缝扩展面F1、F2、F3均近似平行于最大主应力方向，与最小主应力方向垂直，与现有的水力压裂理论相一致。为了模拟地下岩石的真实环境，在水力压裂实验中将岩石的最大主应力方向设置为X方向，由图6和图7可知，裂缝沿着最大主应力方向扩展，因此在岩石的左侧面会有裂缝生成。

此外，实验中的注入井和采出井均在开展实验之前完成钻井。由于注入井a与采出井b相距最近且与最大主应力方向上近似平行，因此，在水力压裂实验中，岩石的裂缝会向采出井b与采出井c扩展。实验结果表明，在水力压裂的作用下，地下的主应力环境会在很大程度上影响裂隙的走向，尤其是地下最大主应力会直接影响裂隙的走向；同时地下已有的断裂层或者未知的结构会对裂隙的走向产生一定的影响，因此在实际工程中，应该最大程度地利用地下主应力以及已知的地下断裂层等信息，更加高效地建立连通性能良好的热储层。

图7 水力压裂实验监测到声发射事件分布示意图Fig.7 Schematic diagram of the distribution of acoustic emission events monitored by hydraulic fracturing experiments

2.2 水力连通实验

在水力压裂后，为探究热储层的水力连通性以及更加直观地评价各个井采出流量的分配，开展了水力连通实验，通过在四个采出井布置内径为7.5 mm的透明塑料软管来直观地观测采出液体的速率和高度，从而评价入口井到各个采出井的连通性能。

实验采用定流量注入，注入流量为30 mL/min。在采出井的软管中提前灌注一定高度的液体，通过在注入井定流量注入液体，观察各个井液体上升的速率以及上升的高度。在采出井b和采出井c处有采出液体，且采出井b的液体采出量和液体上升速率明显高于出口井c，在出口井d与出口井e并没有观察到采出液体；在注水时间达2 min时，出口井b液柱高度为12.5 cm，出口井c液柱高度为2 cm，如图8所示。通过观察最终生成的声发射事件，可以得知在沿井a和井b连线方向扩展的声发射事件相对于沿井a和井c连线方向扩展的声发射事件密集程度更高，数量更多，可以认为在沿井a和井b连线方向上的渗透率高于沿井a和井c连线方向上的渗透率。因此出口井b采出的液体更多。

此外，在停止注水后，出口井b处的流体仍然继续升高，最终约升高2 cm，这是由于停止注水后，岩石中水力压裂形成的裂缝收缩导致出口井b处的液体升高，因此，在水力压裂结束以后有必要对形成的裂隙结构进行加固处理。同时，还观察到在正对岩样的左侧面XZ面上有流体泄漏。通过计算得知，在注水期间，井b的液体回收率为9.19%，井c的液体回收率为 1.47%，采出井的液体总回收率达10.66%，其余的流体一部分从岩石的表面泄漏，另一部分渗透在岩石中。见表1所示。

图8 水力连通实验结果Fig.8 Hydraulic connectivity experiments

表1 各井液体回收情况表Table 1 Liquid recovery of each well

3 结论与展望

模拟地下真实环境的实验系统主要由EGS地下环境模拟器、高压柱塞泵系统和声发射监测系统等部分组成。该系统可实现岩样在单轴、双轴、真三轴应力状态下的力学特性与流体渗流规律的研究。系统可在X、Y、Z三个方向分别提供2 500 kN的载荷；同时通过高压柱塞泵系统可以实现0.000 01 ～25 mL/min的连续流量注入，最大可提供69 MPa的流体压力；实验系统还可以实现各个面独立加热，加热最高温度可达 250℃，可以较真实地模拟深层地下的环境。

利用该实验系统对增强型地热系统进行了水力压裂、声发射事件监测、储层连通等实验研究。有效监测到了岩石内部的裂缝扩展情况，获得了有效的多裂隙热储层，并实现了注入井到采出井的水力连通。根据监测到的声发射事件数据可以清楚地了解到声发射事件发生的位置、时间属性等信息。

通过本次实验研究，可知在水力压裂的作用下，深层地下的应力环境会在很大程度上影响裂隙的走向，实验结果表明，水力裂缝的扩展面平行于最大主应力方向，与最小主应力方向垂直，与已有的油气压裂理论相符合。此外，实验的注入井和采出井均在开展实验之前完成钻井，水力压裂中声发射事件朝着采出井b和采出井c扩展，表明地下已有的断裂层或者未知的结构会对裂隙的走向产生一定的影响。因此，在实际工程中最大程度地利用地下主应力和已知的地下断裂层等信息，可以有效地控制裂隙的扩展方向和形成连通性能良好的热储层。

注入井附近在三个时间段内均有声发射事件数据产生，表明在注入井附近的压裂相对充分，在近井区域热储层的渗透率要高于远井区域的渗透率。水力连通实验表明水压减小后，岩石中形成的裂缝会相应收缩。因此，对注入井附近和形成的裂隙结构进行加固处理，可以更有效地开采干热岩热量。

通过水力连通实验清楚地监测到各个井采出流量的分配情况，从而可以直观地评价入口井到各个采出井的连通性能，对比沿井a和井b连线方向扩展的声发射事件和沿井a和井c连线方向扩展的声发射事件，结果表明渗透率与声发射事件的密集程度相关，因此推测可利用声发射事件的密集程度来估测渗透率的相对大小；同时，流体回收率达到了10.66%。

实验室规模的实验平台具有灵活性大、操作方便、成本低等优点。后续拟对不同岩性的岩石进行实验研究，为实际工程提供技术支持和优化方案，缩短实际工程工期、降低成本并规避风险，同时也为数值模拟提供的实验数据，完善数值模型，提高模型计算的准确度。